White Paper Suora momentinsäätö: moottorinohjausta kaikkiin tilanteisiin
Suora momentinsäätö: moottorinohjausta kaikkiin tilanteisiin Taajuusmuuttajien ansiosta sähkömoottorien toimintaa on voitu optimoida ennennäkemättömästi. Ne ovat säästäneet huomattavasti energiaa sovittamalla moottorin kierrosnopeuden ja vääntömomentin käytettävän kuorman todellisiin vaatimuksiin. Useimmat markkinoilla olevat taajuusmuuttajat hyödyntävät modulaattorivaihetta, joka muokkaa moottoriin syötettävän virran jännitettä ja taajuutta, mutta aiheuttaa ohjaussignaalien käsittelyyn viivettä. ABB:n ensiluokkaiset taajuusmuuttajat käyttävät sen sijaan ABB:n omaa innovaatiota, suoraa momentinsäätöä, mikä tehostaa moottorin momenttivastetta selvästi. Suoralla momentinsäädöllä on myös muita etuja, ja se on kasvanut pelkkää säätöä laajemmaksi käsitteeksi, johon sisältyy taajuusmuuttajalaitteistoja, ohjausohjelmia sekä useita järjestelmätason ominaisuuksia. Sähkömoottorit ovat usein nykyaikaisten tuotantojärjestelmien terävin kärki niin metallinkäsittelyssä, robottityöstössä kuin rakennus- ja toimistoautomaatiossa. Sähköisten materiaalien, valmistuksen ja analytiikan kehitysaskeleet näkyvät selvästi nykyisin käytössä olevissa moottoreissa. Sähkömoottorien yleisimmän työmyyrän, induktio- eli oikosulkumoottorin, suunnitteluperiaatteet ovat kuitenkin pysyneet samoina yli 1 vuoden ajan. Uusissa sovelluksissa näistä moottoreista saadaan kuitenkin paljon entistä enemmän irti, koska ne on kytketty nykyaikaisiin sähköisiin säätöjärjestelmiin taajuusmuuttajiin. Uudet moottorimallit on myös valmistettu entistä tarkemmin, ja tehokkaat digitaaliset signaalinkäsittelyjärjestelmät toteuttavat niiden kehittyneet säätöalgoritmit nopeasti. Taajuusmuuttajien kehitys on mahdollistanut myös uudet vaihtovirtamoottoriteknologiat, kuten kestomagneettimoottorit ja reluktanssimoottorit. Tasavirtamoottorit veivät aluksi käyttöjen kehittäjien kaiken huomion. Tasavirtamoottorien historia on vielä vaihtovirtaserkkujaankin pidempi, ja niiden nopeuden ja momentin säätäminen on yksinkertaista. Kalliimmat moottorit, monimutkaisemmat rakenteet mekaanisine kommutaattoreineen sekä harjojen kunnossapidon ongelmat ovat kuitenkin tasavirtamoottorien kääntöpuoli. Induktiomoottorien rakenne on yksinkertaisempi ja vahvempi ja hinta pienempi, ja niiden kunnossapito on helpompaa. Niinpä ne ovat laajasti käytössä joka puolella maailmaa. Induktiomoottorien säätö on toisaalta osoittautunut vaikeammaksi. Varhaisilla taajuusmuuttajilla ei voitu säätää tarkasti moottorin nopeutta tai varsinkaan momenttia. Varhaisten suunnittelijoiden tavoitteena oli luonnollisesti jäljitellä tasavirtakäyttöjen selkeää ankkurivirtaan perustuvaa momentinsäätöä. Vähitellen taajuusmuuttajat kehittyivät toiminnaltaan dynaamisemmiksi. (Viitteessä 1 on käyty läpi nykyisiä taajuusmuuttajien säätötapoja.) 198-luvulla useimmat tehokkaimmat taajuusmuuttajat käyttivät pulssinleveysmodulaatiota. Modulointivaiheen käytön varjopuolena on kuitenkin sen muodostama viive. Moottorin säätökomentoja toteutettaessa mittausvirrat on myös suodatettava, mikä hidastaa moottorin momenttivastetta. ABB halusi tarjota vaihtovirtamoottorien säätöön toisenlaisen vaihtoehdon. ABB:n vaativiin sovelluksiin suunnitelluissa taajuusmuuttajissa käytetään innovatiivista suoraa momentinsäätöä. Tällöin taajuusmuuttaja vaikuttaa suoraan moottorin momenttiin sen sijaan, että se säätäisi virtaa tasavirtakäyttöjen tapaan. Suoralla momentinsäädöllä kuorman tarpeita voidaan seurata tarkemmin. Toiminto on kehitetty yhdessä ABB:n perustajayrityksistä, ja se patentoitiin 198-luvun puolivälissä. Suoraa momentinsäätöä käytettäessä taajuusmuuttajissa ei enää tarvita ylimääräistä modulaattorivaihetta, mikä parantaa säädön dynaamisuutta lähelle teoreettista maksimia. ABB toi ensimmäisen suoraa momentinsäätöä käyttävän teollisuustaajuusmuuttajan markkinoille vuonna 1995 (viite 2). Suora momentinsäätö oli alan huippua jo tullessaan markkinoille vuonna 1995, mutta sen suorituskykyä on kehitetty edelleen parantamalla prosessorin laskentatehoa, sovellusohjelmointia sekä tiedonsiirtoliitäntöjä. Tuloksena on monenlaisiin sovelluksiin sopiva huippuluokan moottorinsäätöjärjestelmä. Miksi suora momentinsäätö on paras? Parannettu momenttivaste on vain yksi suoran momentinsäädön ominaisuuksista. Siitä on asiakkaalle hyötyä myös monilla muilla tavoin. Moottorin nopeuden tai asennon takaisinkytkentää ei tarvita 95 %:ssa sovelluksista. Kalliiden anturien tai muiden takaisinkytkentälaitteiden asennuskustannukset jäävät siis pois. Suoralla momentinsäädöllä voidaan ohjata erityyppisiä moottoreita, myös kestomagneettimoottoreita ja uusia reluktanssimoottoreita. Momentin ja nopeuden säätö on tarkkaa myös pienillä nopeuksilla, ja täysi käynnistysmomentti on mahdollinen nollanopeuteen asti. Erinomainen momentin lineaarisuus. Hyvä staattisen ja dynaamisen nopeuden tarkkuus. Ei esiasetettua kytkentätaajuutta. Optimaalinen transistorikytkentä määritetään erikseen jokaiselle säätösyklille, jolloin taajuusmuuttaja voi vastata paremmin käytettävän kuorman vaatimuksiin. Kuva 1. Suoran momentinsäädön toimintaperiaate. Suoran momentinsäädön edut ulottuvat myös ohjelmistoihin, käyttöliittymiin, kunnossapitoon ja järjestelmätason ominaisuuksiin. Nimensä mukaisesti suora momentinsäätö vaikuttaa suoraan moottorin vuohon ja momenttiin sen sijaan, että näitä ohjattaisiin epäsuorasti, kuten tasavirtakäytöissä ja vektoriohjattavissa taajuusmuuttajissa. Erilliset momentin ja nopeuden säätösilmukat täydentävät suoran momentinsäätöjärjestelmän, mutta toimivat integroidusti (katso kuva 1, suoran momentinsäädön lohkokaavio). 2 Suora momentinsäätö: moottorinohjausta kaikkiin tilanteisiin ABB White Paper ABB White Paper Suora momentinsäätö: moottorinohjausta kaikkiin tilanteisiin 3
Suoran momentinsäädön ytimenä on momentinsäätösilmukka, jossa adaptoituva moottorimalli ennakoi moottorin tilaa kehittyneitä algoritmeja käyttäen. Moottorimalli arvioi säädettävät muuttujat staattorin vuon ja moottorin momentin tarkasti moottorin vaihevirtojen ja tasajännitevälipiirin jännitteenmittauksen sekä taajuusmuuttajan kytkevien transistorien tilan perusteella. Moottorimalli laskee myös akselin pyörimisnopeuden. Lämpötilan kompensointi parantaa laskelmien tarkkuutta ilman antureita. Taajuusmuuttajan käyttöönoton yhteydessä suoritettu moottorin tunnistusajo lisää adaptiiviseen malliin moottoriparametreja automaattisesti. Malliparametrien tunnistus voidaan usein tehdä pyörittämättä moottorin akselia. Joissakin vaativissa sovelluksissa tarvittavaa moottorimallin hienosäätöä varten moottori on käynnistettävä, mutta vain vähäksi aikaa, eikä kuormaa ole tarpeen kytkeä. Staattorin vastus (jännitehäviö) on ainoa moottorin magneettivuon arvioinnissa tarvittava mitattava parametri. Moottorin momentti voidaan tämän jälkeen laskea arvioitujen staattorivuon ja staattorivirran vektorien ristitulona. Vaikka staattorin vastus on arviointivirheen pääasiallinen lähde, sen vaikutus pienenee moottorin nopeuden ja jännitteen kasvaessa. Suoralla momentinsäädöllä voidaankin saavuttaa erinomainen momentin tarkkuus laajalla nopeusalueella. Suora momentinsäätö sisältää lisäksi kehittyneitä tapoja minimoida arviointivirheet pienillä moottorin nopeuksilla. Moottorimallista saadut lähtösignaalit, jotka edustavat staattorivuon ja moottorin momentin oloarvoja, siirtyvät vuo- ja momenttivertausyksikköön (kuva 1). Nämä erilliset säätöyksiköt vertaavat tuloarvoja vuon ja momentin ohjearvoihin. Jo 199-luvun puolivälin ensimmäiset suoraa momentinsäätöä käyttävien taajuusmuuttajien tehokkaat digitaaliset signaalinkäsittelyjärjestelmät suorittivat nämä toiminnot 25 mikrosekunnin (µs) välein. Uusimmassa laitesukupolvessa väli on 12,5 µs, mikä tehostaa säätöä edelleen. Vertausyksiköt pyrkivät pitämään vuo- ja momenttivektorin kapealla hystereesialueella ohjearvon ympärillä. Vektorivaihtelut ovat vähäisiä, joten nopea momenttivaste saavutetaan ilman raja-arvojen ylityksiä. Toinen tekijä moottorin poikkeuksellisen hyvän vasteen takana ovat digitaalisen signaalinkäsittelyn säätöalgoritmit, jotka päivittävät adaptiivista moottorimallia samalla nopealla syklillä. Hystereesisäädin laskee vuon ja momentin tilan niiden eroarvojen eli arvioitujen oloarvojen ja ohjearvojen eron sekä staattorivuon vektorin kulman (sektorin) perusteella. Näitä tila-arvoja käytetään sitten optimipulssivalitsimen tuloarvoina, joiden perusteella järjestelmä valitsee taulukosta optimaalisen jännitevektorin. Näin vaihtosuuntaajan tehokytkimille saadaan jokaisessa säätösyklissä optimaalinen signaalipulssi, jonka avulla voidaan saavuttaa tai ylläpitää tarkka moottorin momentti. Digitaalisen signaalinkäsittelyn apuna vaihtosuuntaajan kytkentälogiikan ja muiden tehtävien määrittämisessä on ohjelmoitava logiikkalaite, kenttäohjelmoitava porttimatriisi (FPGA). FPGA sallii säädön muokkaukset ja taajuusmuuttajan päivitykset, toisin kuin sovelluskohtainen integroitu piiri (ASIC), jota käytettäessä kokoonpano on lukittava. Nopeudensäätösilmukka, joka kattaa suoran momentinsäädön muut toimintolohkot, on kuvattu liitteessä 1. Suorituskykymittarit Suoran momentinsäätötekniikan suorituskyky on muita taajuusmuuttajien säätömenetelmiä parempi. Koska suora momentinsäätö perustuu moottorin nopeuden arviointiin mittauksen sijaan, useimmissa sovelluksissa ei tarvita kalliita nopeus- ja asentoanturikokoonpanoja. Moottorin koosta riippuen yleensä saavutetaan jopa ±,1 %:n staattisen nopeuden tarkkuus. Vaativammissa sovelluksissa vakioanturilla varustettu suoraa momentinsäätöä käyttävä taajuusmuuttaja (1 24 pulssia/kierros) saavuttaa tyypillisesti ±,1 %:n nopeustarkkuuden. Dynaaminen nopeuden tarkkuus (nopeuden poikkeaman aikaintegraali alle 1 %:n kuormavaikutuksella) on,3,4 %s tyypillisellä moottorin kuormalla. Anturia käytettäessä nopeuden tarkkuus paranee tyypillisesti,1 %s:iin ja vastaa servotaajuusmuuttajan tarkkuutta. Momentin vasteaika 1 %:n momenttiohjevaiheeseen on tyypillisesti 1 5 millisekuntia (ms), mikä lähestyy moottorin fyysisen suorituskyvyn rajaa. Momentin toistettavuus samaa ohjekomentoa käytettäessä on tyypillisesti alimmillaan jopa 1 % nimellismomentista taajuusmuuttajan koko nopeusalueella. Pienillä moottorin nopeuksilla suoralla momentinsäädöllä saavutetaan 1 %:n momentti nollanopeuteen asti sekä ilman nopeuden tai asennon takaisinkytkentää että sitä käytettäessä. Yllä annetut suorituskykyarvot koskevat induktiomoottorien ohjausta. Induktiomoottoreista muihin moottorityyppeihin Suora momentinsäätö kehitettiin alun perin induktiomoottoreille, jotka olivat laajasti käytössä teollisissa ja kaupallisissa sovelluksissa. Induktiomoottorit tulevat todennäköisesti säilyttämään asemansa teollisuuden uskollisina työmyyrinä myös tulevaisuudessa. Suuremman tehotiheyden tarve ja kehittyvät kansainväliset tehokkuussäädökset ovat kuitenkin kääntämässä huomiota yhä enemmän myös muiden moottoritopologioiden suuntaan. Esimerkiksi standardi IEC 634, osa 3 (viite 3) määrittelee kansainvälisen tehokkuusluokituksen (IE), jonka ylintä tasoa (IE4) induktiomoottorien on vaikea saavuttaa. Viimeisimmässä hyväksytyssä IEC 634-3 -standardin toisessa versiossa on ehdotettu vieläkin korkeamman IE5-luokan käyttöönottoa. Tämän luokan tarkempia tietoja ei kuitenkaan ole julkaistu. Hyvä uutinen on, että suoraa momentinsäätöä voidaan käyttää yhtä hyvin myös kestomagneettimoottoreiden ja reluktanssimoottorien (SynRM-moottorien) kanssa. Suurin ero induktiomoottoreihin nähden tulee esiin moottorin käynnistyksessä. Toisin kuin induktiomoottorien kanssa, kestomagneettimoottoreita ja SynRM-moottoreita käytettäessä säätöjärjestelmän on arvioitava roottorin käynnistysasento roottorin napojen perusteella, jos käytössä ei ole asentoanturia. Tällaisissa moottoreissa hävikkiä vähentää tuntuvasti se, että roottorissa ei ole käämejä eikä moottorissa esiinny epätahtimoottoreille luontaista nopeuden jättämää. Tehokkuus on siis parempi. Tahtiominaisuuden ansiosta voidaan lisäksi saavuttaa erinomainen nopeuden tarkkuus myös ilman nopeus- tai asentoantureita. Anturi voidaan siis jättää useimmissa tapauksissa pois. Se on kuitenkin tarpeen esimerkiksi vinsseissä ja nostimissa, jotka tarvitsevat vääntömomenttia pitkiä aikoja pysähtyneenä ollessaan. Kestomagneetit on yleensä kiinnitetty roottorin ulkopintaan. Eräässä kestomagneettimoottorin muunnoksessa, sisämagneettimoottorissa (IPM), magneetit on kuitenkin upotettu roottorin rakenteeseen. IPM-moottorien lisäreluktanssimomenttikomponentti tekee niistä hyvän vaihtoehdon vaativiin sovelluksiin. Upotetut magneetit luovat myös hyvin selkeän muodon roottorin ja navan välille, mikä mahdollistaa nopeuden tarkan arvioinnin ja parantaa edelleen suoran momentinsäädön anturitonta toimintaa. Momentin ja moottorin koon välinen vahva suhde voi mahdollistaa yksinkertaisemman järjestelmäsuunnittelun kestomagneettimoottoreita käytettäessä. Suorasäädetyn pieninopeuksisen kestomagneettimoottorin kanssa pakkauskoneessa ei esimerkiksi välttämättä tarvita vaihteistoa. Kestomagneettimoottoreita käytetään esimerkiksi konetyökaluissa, laivojen propulsiojärjestelmissä, tuuliturbiineissa ja voimalaitosten jäähdytystornien puhaltimissa. Jotta kestomagneettimoottori saavuttaa parhaan suorituskykynsä, se vaatii harvinaisten maametallien käyttöä magneetissa. Taloudelliselta kannalta tämä on haaste. Yleisimmin käytössä on neodyymin, raudan ja boorin seos. Harvinaisten maametallien viimeaikaiset hinnat ja toimitusongelmat ovat nousseet laitevalmistajien huolenaiheeksi, joka ei koske vain sähkömoottoreita (viite 4). Reluktanssimoottorit voivat tarjota tervetulleen vaihtoehdon. ABB on lisännyt tuotevalikoimaansa sarjan SynRM-moottorin ja taajuusmuuttajan paketteja osittain ennakoidakseen harvinaisten maametallien saatavuusongelmia (viite 5). Reluktanssimoottorien staattorirakenne muistuttaa induktiomoottorien vastaavaa rakennetta. Reluktanssimoottorin roottori koostuu kuitenkin aksiaalisuunnassa pinotuista teräslamelleista, jotka on muotoiltu neljän navan suhteen. Rakenteessa on vuorotellen läpäisevä kerros (rauta) ja heikosti läpäisevä kerros (ilmaväli). Roottorissa ei tarvita magneetteja. Tyypillisiä SynRM-moottorisovelluksia ovat rotaatiopumput ja puhaltimet, joissa momentin ja nopeuden välinen suhde on neliöllinen ja suhde tehoon on näin ollen kuutio (lisätietoja alla). ABB on toteuttanut kestomagneettimoottoreille ja SynRMmoottoreille muokatun suoran momentinsäädön. Asiakkaan kannalta on tärkeää, että ABB:n uusimmat suoran momentinsäädön taajuusmuuttajat sallivat käytössä olevan induktiomoottorisovelluksen vaivattoman päivittämisen käyttämään kestomagneettimoottoria tai SynRM-moottoria, joilla saadaan parempi teho. 4 Suora momentinsäätö: moottorinohjausta kaikkiin tilanteisiin ABB White Paper ABB White Paper Suora momentinsäätö: moottorinohjausta kaikkiin tilanteisiin 5
Viimeaikaisia suorituskyvyn mittauksia ABB teki vuonna 212 mittauksia, joiden tarkoituksena oli varmistaa, että DTC-tekniikan jatkuvat parannukset pitävät ABB:n taajuusmuuttajien suorituskyvyn huipputasolla Seuraavassa on yhteenveto mittausten merkittävimmistä tuloksista. Momentin tarkkuus rampin aikana (induktiomoottori ja SynRM-moottori) Kaaviossa 2 on verrattu ACS88-taajuusmuuttajan anturitonta momentinsäätötarkkuutta kahdella erilaisella 15 kw:n moottorilla (5 % nimellisnopeudesta). Moottoreina ovat nelinapainen induktiomoottori ja reluktanssimoottori. Momentin vakaus lähellä nollanopeutta (ACS8 ja ACS88-taajuusmuuttajat) Kuva 2. Uusissa reluktanssimoottorimalleissa on uudenlainen roottori, ja ne on optimoitu taajuusmuuttajien kanssa käytettäväksi. Reluktanssiteknologia vähentää roottorihävikkiä, parantaa luotettavuutta ja mahdollistaa pienemmät ja kevyemmät mallit (tehokkaat SynRMmoottori-taajuusmuuttajapaketit) tai erittäin korkean tehon (IE4 SynRM-moottori-taajuusmuuttajapaketit). Kaaviossa 1 verrataan ABB:n ACS8- teollisuustaajuusmuuttajan ja uuden ACS88:n momentinsäädön tarkkuutta avoimen silmukan kokoonpanossa (ei anturia). Molemmat taajuusmuuttajat käyttivät testissä 15 kilowatin nelinapaista induktiomoottoria nimellismomenttiohjeella. Kuorma säädettiin tekemään suunnanvaihdoksia hitaalla nopeudella lähellä nollanopeutta. (Huomaa, että 9 rpm on noin 6 % moottorin nimellisnopeudesta.) Hyvän dynaamisen moottorinsäädön lisäksi suoraa momentinsäätöä käyttävät taajuusmuuttajat yhdistettynä yllä mainittuihin tehokkaisiin moottoritekniikoihin säästävät paljon energiaa monissa pumppuja ja puhaltimia sisältävissä sovelluksissa. Tätä voidaan havainnollistaa affiniteettilaeilla, jotka kuvaavat pumppujen ja puhaltimien muuttujien, esimerkiksi virtauksen, kierrosnopeuden, paineen ja tehon välisiä suhteita. Esimerkiksi pumpun nopeuden ja tehon välinen suhde on kuutio, jolloin pumpun nopeuden pudottaminen puoleen alentaa tehonkulutuksen kahdeksasosaan. Osittaisella kuormalla käytössä oleva moottorin ja taajuusmuuttajan pienempi teho pienentää luonnollisesti järjestelmän kokonaistehokkuutta, mutta vähentää energiankulutusta. 15 1 5 Torque with ACS8 Torque with ACS88 Speed (rpm), Torque (%) Time (s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15-5 -1 Speed -15 Kaavio 1. Molemmat taajuusmuuttajat suoriutuivat huomattavan hyvin pitkäaikaisesta anturittomasta säädöstä lähellä nollanopeutta. ACS88:n poikkeama momenttiohjeesta oli kuitenkin pienempi, joten se tuottaa paremman säätötarkkuuden kuin ACS8. 6 Suora momentinsäätö: moottorinohjausta kaikkiin tilanteisiin ABB White Paper ABB White Paper Suora momentinsäätö: moottorinohjausta kaikkiin tilanteisiin 7
Servotason dynaaminen suorituskyky Kaaviosta 3 nähdään testissä käytetyn 1,5 Nm:n, 6 rpm:n kestomagneettimoottorin (roottorin inertia,57 kg cm2) mitattu nopeus ja kulma alle 25 ms:n nopeiden suunnanmuutosten ( 6 rpm...+6 rpm) aikana. Tämä on hyvin lähellä teoreettista rajaa, joka on mahdollista saavuttaa, kun momenttiraja asetetaan kaksinkertaiseksi nimellismomenttiin nähden. Teoreettinen raja-arvo viittaa moottorin mekaaniseen aikavakioon (24 ms). Tämä vakio ilmaisee ajan, joka moottorilta kuluu nimellismomenttia käytettäessä kiihdytykseen nollasta nimellisnopeuteen. Laajemmat sovellukset kuuluu sen laajeneminen uusiin sovelluksiin. Kohteena olivat jo varhain vaativat, erittäin dynaamiset sovellukset, joissa kallis ohjelmistonkehitys ja mikroprosessorivaatimukset olivat perusteltavissa. Puitteet ovat sittemmin muuttuneet. Taajuusmuuttajien suuremmat myyntimäärät ovat kuolettaneet ohjausohjelmistojen kustannukset, ja toiminto on nykyään taloudellinen myös vakiosovellusten taajuusmuuttajissa. Tehokkaat taajuusmuuttajat ovat myös nykyään yleisempiä ja edullisempia. Poikkeuksellisen tehokkaan nopeus- ja momentinsäädön dynamiikan ansiosta prosessimuuttujien (paine, kiristys ja asento) muutoksiin voidaan nyt reagoida ennennäkemättömän nopeasti ja suorasta momentinsäädöstä Speed (rpm) 6 3 16 Angular position 6 21 26 31 36 time (ms) Angular position (degrees) -6 36 3 24 18 12 Suoran momentinsäädön kehityksen merkittäviin askeliin Speed -12 1 8 Torque reference 2 15-3 -18-24 -3 Actual and reference torques (%) 6 4 2 Time (s) 5 1 15 2 25 3 35 4-2 -4-6 -8-1 Torque error of the induction motor Synchronous reluctance motor torque Torque error of the synchronous reluctance motor Induction motor torque 1 5-5 -1-15 -2 Torque error (%) -6 Kaavio 3. Vaikka ACS88 ei ole servotaajuusmuuttaja, se pystyy suoran momentinsäädön ansiosta muuttamaan moottorin nopeutta hyvin nopeasti ja tarkasti sekä anturitakaisinkytkentää käytettäessä että ilman sitä. Suorituskyvyn mittarina voidaan käyttää myös momentin tarkkuutta hyvin nopean kiihdytyksen aikana. Arvo saadaan vertaamalla mitattua kiihdytysaikaa moottorin mekaaniseen aikavakioon. Kiihdytysajaksi mitattiin 24,4 ms (momentti 1 %) ja 12,1 ms (momentti 2 %) ilman anturia ja 24 ms ja 12 ms anturia käytettäessä. Arvot vastaavat absoluuttisen momentin tarkkuuden mukaista kiihdytysaikaa. on tullut yhä houkuttelevampi vaihtoehto monilla eri teollisuudenaloilla ja erilaisissa prosesseissa. Suora momentinsäätö voi parantaa järjestelmään kytketyn koneiston tai moottorin suojausta (lisätietoja on liitteessä 2). Tarkka momentinsäätö voi optimoida nopeussäädön eliminoimaan vääntövärähtelyt. -36 Suoraa momentinsäätöä on käytetty myös taajuusmuuttajan harmonisten yliaaltojen vähentämiseen, mikä parantaa tehonsyötön laatua. Tehonsyötön matalan taajuuden yliaaltoja voidaan vähentää korvaamalla taajuusmuuttajan dioditasasuuntaaja suoraa momentinsäätöä käyttävällä IGBT-syöttöyksiköllä (ISU). IGBT-syöttöyksikön LCLsuodin poistaa korkean taajuuden yliaallot ja toimii verkon lisäsuotimena. Monissa tapauksissa verkon jännitteen säröä voidaan pienentää käyttämällä taajuusmuuttajassa IGBTsyöttöyksikköä. Se mahdollistaa myös jarrutusenergian syöttämisen takaisin verkkoon. Näin voidaan saavuttaa energiansäästöä sovelluksissa, joissa jarrutusta käytetään paljon. Kaavio 2. Molemmilla moottorityypeillä poikkeama momenttiohjeesta pysyi muutamassa prosentissa nimellismomentista sekä moottori- että jarrutustilassa. Suurin momenttiero on testatussa reluktanssimoottorissa hieman pienempi kuin induktiomoottorissa. Suora momentinsäätö nyt ja tulevaisuudessa Vankkaan teoreettiseen tietoon perustuva suora momentinsäätötekniikka on tuottanut yli 25-vuotisen elinkaarensa aikana jatkuvasti laitteisto- ja ohjelmistoparannuksia. Se perustui alusta lähtien digitaaliseen signaalinkäsittelyyn ja on voittanut varhaisten 8 Suora momentinsäätö: moottorinohjausta kaikkiin tilanteisiin ABB White Paper ABB White Paper Suora momentinsäätö: moottorinohjausta kaikkiin tilanteisiin 9
Viitteet Liite 1: Suoran momentinsäädön muut toimintolohkot prosessorien algoritmien laskennalle asettamat rajoitukset. Signaalinkäsittelyn rajoitukset jarruttivat aluksi myös taajuusmuuttajien suurinta mahdollista kytkentätaajuutta ja siten myös lähtötaajuutta. Suoran momentinsäädön optimaalinen toiminta perustuu taajuusmuuttajan nopeisiin transistorikytkentöihin ja moottorimallin parametrien ripeään päivittämiseen. Nykyisin on saatavana myös tehokkaita prosessoreja. Uusien suoraa momentinsäätöä käyttävien taajuusmuuttajien lähtötaajuus on entistä suurempi, mikä mahdollistaa moottorien suuremman pyörimisnopeuden. Joissakin sovelluksissa, kuten koepenkeissä ja konetyökaluissa, tämä on erittäin tärkeää. Teollisuuden induktiomoottoreita käyttävät ABB:n taajuusmuuttajat tuottavat tyypillisesti 2 4 khz:n kytkentätaajuuden, joka maksimoi järjestelmän tehokkuuden. Kestomagneettimoottoreita käyttävillä koneistotaajuusmuuttajilla syöttötaajuus on yleensä 5 8 khz, jolloin saavutetaan paras mahdollinen moottorin dynaamisuus. Ohjelmistoilla on ollut suuri merkitys suoran momentinsäädön menestyksessä. Taajuusmuuttajien vasteaikoja ja suorituskykyä on tehostettu mm. koko säätöjärjestelmän (asiakasliitännästä moottorin akseliin) ohjelmiston uudelleensuunnittelulla ja optimoinnilla. Moottorimalleja päivitetään lisäksi säännöllisesti. Säätöalgoritmeja analysoidaan säännöllisin välein, ja tehdyt parannukset testataan perusteellisesti laboratoriossa eri moottorityyppien kanssa. Testaus voi sisältää uusien ominaisuuksien tai säätöideoiden tutkimista valmiin tai muokatun moottorin kanssa tai asiakkaan erityisvaatimusten tarkastelua. Kun parannus on vahvistettu, se voidaan viedä seuraavaan ohjelmistoversioon osana normaalia suunnitteluprosessia. Jokaisessa uudessa ohjelmistoversiossa on yleensä uusia toimintoja tai parannettuja säätöominaisuuksia. Jos asiakkaan erityisongelman ratkaisu on yleistettävissä riittävän laajasti, myös se voidaan sisällyttää uuteen ohjelmistoversioon. moottorin todelliset ominaisuudet taajuusmuuttajan käyttöönoton aikana, jotta niitä voidaan käyttää moottorin ohjauksen hienosäätöön, jos nimikilven arvoja ei tiedetä tai ne osoittautuvat epätarkoiksi. ABB on terävöittänyt pitkää taajuusmuuttajien suunnitteluperintöään ja investoinut huomattavia resursseja suoran momentinsäädön kehittämiseen. Suora momentinsäätö on jatkuvasti kehittyvä teknologia, jossa vankalle perustalle rakennetaan yhä uusia kehitysaskeleita. Kehitystyön myötä suora momentinsäätö on kehittynyt pelkästä säätötavasta kokonaiseksi tuoteperheeksi, johon sisältyy mm. älykkäitä käyttöliittymiä, kunnossapitoja diagnostiikkaominaisuuksia sekä ylemmän tason ohjelmistotoimintoja. ABB jatkaa suoran momentinsäädön kehittämistä samaan tapaan myös tulevaisuudessa. ABB:n taajuusmuuttajaasiakkaat voivat luottaa siihen, että nyt tehty investointi suoraan momentinsäätöteknologiaan tuottaa hyötyä pitkään. 1 Kazmierkowski, M.P. ym., High-Performance Motor Drives, IEEE Industrial Electronics Magazine, Sept. 211, Vol. 5, No. 3 (s. 6 26). 2 Direct Torque Control Comes to AC Drives, Control Engineering, March 1995, Vol. 42, No. 3 (s. 9). 3 Standard IEC 634-3, Ed. 2: Rotating electrical machines Part 3: Efficiency classes (IE-code), International Electrotechnical Commission. www.iec.ch 4 Rare-earth magnet supply and cost issues, Control Engineering, Aug. 211. http://www.controleng.com/index. php?id=483&chash=811&tx_ttnews[tt_news]=5591 5 Super premium efficiency synchronous motor and drive package: Taking energy efficiency to a new level, ABB Lowvoltage AC motors and drives -esite (211). Artikkelissa on kuvattu suoran momentinsäädön varsinaista momentinsäätösilmukkaa. Seuraavassa on lyhyt kuvaus siihen liittyvästä nopeudensäätösilmukasta. Nämä kaksi silmukkaa on integroitu toisiinsa, ja ne toimivat yhtenäisenä järjestelmänä. Erillisten kuvausten tarkoituksena on vain helpottaa lohkokaavion ymmärtämistä. Tässä liitteessä on siis järjestelmän täydentävä esittelykierros. Nopeudensäätösilmukka koostuu kolmesta osasta: varsinaisesta nopeudensäätölohkosta sekä erillisistä momenttiohje- ja vuo-ohjesäätimistä. Nopeussäädin sisältää PID-säätimen (proportionaalinen, integroiva ja derivoiva säädin) sekä kiihdytyksen kompensoinnin. Nopeussäätimen tuloarvo on se eroarvo, joka saadaan verrattaessa ulkoista nopeusohjesignaalia adaptiivisen moottorimallin (osa momentin ja vuon säätösilmukkaa, katso pääartikkeli) nopeuden oloarvosignaaliin. Tämä eroarvosignaali, joka lasketaan nopeusohjeen muutoksen ja derivoivan termin perusteella, lähtee sekä PID-yksikköön että kiihdytyksen kompensointiin. Niiden yhdistetystä lähtöarvosta tulee nopeussäätimen lähtöarvo. Lähtöarvo viedään momenttiohjesäätimeen, jossa nopeussäätimen lähtöarvoa muokataan esiasetettujen momenttirajojen ja tasajännitevälipiirin jännitteen mukaan. Nopeussäätimen sijasta lohkon tuloarvona voidaan käyttää myös ulkoista (käyttäjän) momenttiohjesignaalia. Momenttiohjesäätimen lähtöarvo on sisäinen momenttiohje, joka lähtee momentin ja vuon säätösilmukan momenttivertauslohkoon. Vuo-ohjesäädin tuottaa samaan tapaan sisäisen vuo-ohjeen vuovertauslohkoon (osa momentin ja vuon säätösilmukkaa). Tämä signaali on absoluuttinen staattorivuon arvo, jota suora momentinsäätö voi muokata niin, että vaihtosuuntaaja toimii tarvittavalla tavalla. Esimerkkeinä voidaan mainita energiankäytön optimointi jossa minimoidaan moottorin hävikki ja alennetaan moottorin käyntimelua sekä vuojarrutus, jossa hävikkiä hetkellisesti lisäämällä voidaan nopeuttaa moottorin jarrutusta ilman jarruvastusta. Suoran momentinsäädön moottorintunnistusalgoritmia on vahvistettu. Taajuusmuuttajan uusi tehokkaampi mikroprosessori on mahdollistanut ohjelman, joka parantaa moottorin tunnistusta sen ollessa pysäytettynä. Kuten aiemmin mainittiin, tunnistusalgoritmi selvittää käytettävän 1 Suora momentinsäätö: moottorinohjausta kaikkiin tilanteisiin ABB White Paper ABB White Paper Suora momentinsäätö: moottorinohjausta kaikkiin tilanteisiin 11
Liite 2: Suoran momentinsäädön edut asiakkaan kannalta Yhteystiedot Suoraa momentinsäätöä käyttävissä taajuusmuuttajissa on useita ominaisuuksia, joista on hyötyä tietyissä asiakassovelluksissa. Paperintuotannossa, erilaisten raakaainemateriaalien valmistuksessa sekä kalvoekstruudereissa suoran momentinsäädön nopea momenttivaste ja tarkka momentinsäätö parantavat tuotteiden laatua ja lisäävät tuotantomääriä. Momentin lineaarisuus on selvä etu näissä sovelluksissa tarvittavan tasaisen kireyden kannalta. Kuljettimien ja siirtolinjojen sekä pakkauskoneiden käyttökustannuksia voidaan pienentää, koska suoraa momentinsäätöä käytettäessä näissä sovelluksissa ei usein tarvita antureita tai muita moottorin nopeuden tai asennon takaisinkytkentälaitteita. Hankintakustannusten lisäksi anturit vaativat kunnossapitoa ja kalibrointitarkistuksia. Joistakin pakkauskoneiden osista voidaan mahdollisesti jättää pois myös mekaaninen jarru, joka korvautuu suoran momentinsäädön nollanopeuteen asti ulottuvalla momentinsäädöllä. Suora momentinsäätö pystyy säilyttämään täyden momentin jopa nollanopeudessa. Nopeuden tai asennon anturi tarvitaan kuitenkin silloin, jos jarrutusmomenttia tarvitaan lähellä nollanopeutta pidempään kuin muutaman sekunnin ajan. Taajuusmuuttajassa on myös oltava jarruvastus tai IGBT-syöttöyksikkö, jos nopea hidastus on tarpeen. ja nopeuskäyriin. Muuttunut moottorin ominaiskäyrä voi olla varhainen merkki epäedullisesta muutoksesta prosessissa. Lisätietoja tässä asiakirjassa käytetyistä teknisistä termeistä on osoitteessa www.abb.com/glossary Ere Jääskeläinen Marketing Manager Pasi Pohjalainen Marketing Manager ABB Oy Drives P.O.Box 184 FI-381 Helsinki Tél. : +358 ()12211 3AUA188874 REV A EN 27.1.215 Moottorin tilan tarkka valvonta voi olla hyödyksi monissa asiakassovelluksissa. Ylikuormat ja iskukuormat voidaan minimoida kytketyn järjestelmän parametrien muutosten ripeän tunnistuksen ja suoran momentinsäädön nopean vasteen avulla. Käsitettä voidaan laajentaa myös käytettävän järjestelmän viantunnistukseen. Esimerkiksi äkillinen momentin menetys voi olla merkki kuljetinhihnan rikkoutumisesta, tai kohonnut momentin tarve voi johtua koneen kulumisesta tai haitallisesta sidoksesta koneessa. Käyttäjän on tällöin korjattava ongelma, jotta lisävauriot voidaan estää. Kuten pääartikkelissa on mainittu, taajuusmuuttajaa voidaan usein käyttää apuna prosessin diagnostiikassa. Tästä on hyötyä prosessinsäätösovelluksia käyttäville asiakkaille, kun käytettävän järjestelmän paineen, kiristyksen, asennon tai muun muuttujan muutos voidaan kytkeä moottorin momentti- 12 Suora momentinsäätö: moottorinohjausta kaikkiin tilanteisiin ABB White Paper